光電信息技術在農業智能化生產中的應用

崔冰冰

摘要：隨著科技的不斷發展和農業生產需求的不斷增加，農業智能化生產已經成為現代農業的重要發展方向。光電技術作為一種先進的信息技術，具有廣泛的應用前景和巨大的潛力。文章詳細分析了光電技術設計在農業智能化生產中的應用，并重點探討了相關信息技術在農業機械和農作物病害防治等方面的應用，以期為推動農業現代化和提高農業生產效益提供參考。

關鍵詞：光電；信息技術；農業機械；病害防治

文章編號：1674-7437（2024）01-0046-03 中國圖書分類號：S12 文章標識碼：A

隨著全球人口的不斷增長和農業資源的消耗，農業生產面臨著諸多挑戰，如土地資源稀缺、氣候變化的影響、農產品質量與安全的要求等，傳統的農業生產方式已經難以滿足人們對高效、可持續農業的需求。因此，農業智能化生產成為解決這些問題的重要途徑。在農業智能化生產中，除了傳統的生物技術、土壤改良技術以外，還涉及機械、電子、能源和規劃等諸多領域的關鍵技術。光電信息技術是利用光電子器件和光電子技術，將光學和電子技術相結合，實現信息感知、傳輸和處理的一種重要的信息技術，其具有高精度、高效率的數據采集和處理能力，為農業生產提供了新的思路和方法，在農業智能化生產中發揮著重要作用。文章主要對光電技術中涉及的視覺系統、監測系統和控制系統進行論述，并著重分析了光電信息技術在農業機械和農作物病害防治中的應用情況，以期推動實現農業生產的精準化、高效化和可持續發展，提高農產品的產量和品質，促進農業現代化和農村經濟發展[1-2]。

1 光電信息相關系統

本章主要對光電信息技術聯系最為緊密的視覺系統、監測系統和控制系統進行論述，對相關概念、主要原理和常見應用進行重點分析。

1.1視覺系統

光電視覺系統是基于光電傳感器和圖像處理算法的視覺監測和分析技術系統。如圖1所示，該技術利用光電傳感器將光信號轉化為電信號，并通過光學系統將光線聚焦在感光元件上，形成圖像，并通過圖像處理算法對圖像進行分析和處理，提取出目標物體的特征和信息（見圖1）。光電傳感器可以根據物體的光反射、光透射或光散射等方式感知物體，具有高分辨率、高靈敏度和快速響應的特點。該系統目前廣泛應用于機器視覺、自動駕駛、智能安防等領域，可以實現目標物體的識別、跟蹤、測量和判斷，為各行業提供了強大的視覺信息處理技術[3]。

在農業上，光電視覺系統應用光電測距儀可以用于測量農作物的高度、距離和路徑等，以實現精準的農機作業和農田管理。例如，李小軍（2023）[4]將溫室番茄穴盤苗作為研究對象，開展了基于機器視覺的穴盤苗生長質量檢測，并在質量檢測基礎上進行補苗移栽路徑規劃研究，當系統開始工作時，待檢測穴盤苗經傳送進入視覺處理裝置，光電傳感器檢測到穴盤經過，發送電信號觸發相機抓拍，采集穴盤苗原始彩色圖像并儲存在PC機指定地址，隨后圖像處理算法讀取儲存的穴盤苗圖像進行快速處理，完成幼苗生長狀態檢測任務。

1.2監測系統

光電監測系統是一種通過光電傳感器、光學成像和信號處理等技術，對被監測對象進行實時監測和控制的系統。其原理是利用光信號的傳感、測距、控制和識別等功能，對被監測對象的特征和狀態進行實時監測和分析，從而實現對其進行精準的控制和管理。常見的光電監測系統包括無損監測技術在橋梁工程中的應用、光電監測技術的五個重要組成部分、虹膜技術在安防等領域的應用等。該系統的應用領域廣泛，能夠提高工作效率和準確性，保障設備和人員的安全。農業上，光電傳感器可以用于測量光照強度、溫度和濕度等環境參數，以實現精準的農作物管理和調控。沈楷程（2022）[5]研發了光譜技術的溫室辣椒精準灌溉系統，該學者分析干旱脅迫下植株Fv/Fm變化規律的基礎上，通過光譜分析篩選與Fv/Fm高度相關的特征波段，開發監測裝置，構建基于植株生長需求的灌溉決策模型，搭建溫室植株灌溉系統，探索結合作物生長需求的精準灌溉控制方法。

如圖2所示，溫室辣椒精準灌溉系統包含4G通信電路、電磁閥控制電路、電源電路、單片機及傳感器接口電路的電磁閥控制器，能夠結合空氣濕度、土壤含水率及葉片信息實現植株自動化智能灌溉（見圖2）。

1.3控制系統

光電控制系統是將光電傳感器與控制器相結合，通過光信號的判斷和處理，控制相關設備或系統的運行狀態和參數調節。光電技術在控制系統中的應用可以提高系統的感知能力、控制精度和自動化程度，廣泛應用于工業自動化、智能制造和智能控制等領域。在農業生產上，光電控制系統可以用于實現自動化的農業作業和設備控制，如智能灌溉系統的自動調節、蘋果自動化采摘裝置等。

甄暢（2022）[6]設計出一套既能識別又能控制的棉花打頂控制系統，如圖3所示，該系統以光電識別傳感器為高度識別模塊，并圍繞光電識別模塊展開整個系統的設計。該系統是由檢測裝置（棉株高度檢測裝置和打頂刀具升降高度檢測裝置）、信號處理模塊、信息放大模塊、電磁控制集成閥塊、打頂執行裝置、識別架總成、切割裝置等組成（見圖3）。

2 光電信息技術在農業機械中的應用

光電技術在農業機械中的應用非常廣泛。通過光電傳感器、光電測距儀和光電控制系統的應用，可以實現對農作物的自動化作業和精準管理，提高農業生產的效率和質量，提高農機設備的自動化程度和安全性能，減少人工操作，降低勞動強度和事故風險，推動農業機械的智能化和可持續發展。在農業機械中，光電傳感器可以用于檢測和控制農作物的生長狀態和機械設備的工作狀態。例如，光電傳感器可以用于檢測農作物的高度、顏色和成熟度，從而實現自動化采摘和分類農作物。如智能化收割機通過攝像頭和傳感器，可以實時監測農田的作物成熟度和收割情況，結合圖像處理和數據分析技術，可以調整收割機的工作速度和刀具的高度，實現精準收割，提高收割效率和農產品的品質。同時，光電傳感器還可以用于檢測農機設備的工作狀態，如轉速、溫度和壓力等，以實現設備的自動控制和故障檢測。如智能化播種機可以實時檢測土壤的質地、濕度和營養狀況，結合圖像處理和數據分析技術，可以調整播種深度、播種密度和行間距等參數，實現精準播種，提高播種效果和農作物的產量。

此外，在農業機械中，光電控制系統可以用于實現自動化的作業控制和安全監測。例如，在噴灑機械中，光電控制系統可以根據作物的生長情況和病蟲害的發生情況，自動調整噴灑藥劑的劑量和噴灑范圍，實現精準的病蟲害防治。同時，光電控制系統還可以用于監測農機設備的工作狀態和安全性能，如監測傳動系統的轉速和溫度，以及監測農機設備的運行狀態和故障情況，提高農機設備的可靠性和安全性。除以上兩點以外，在農業機械中，內置的光電測距儀可以用于測量農作物的高度和距離，實現精準的農機作業。例如，在水稻、小麥等收割機械中，光電測距儀可以測量作物的高度和密度，調整刀具的高度和間距，實現高效的收割作業。在棉花采摘機械中，可以在分析田間棉株的高度性狀、物理性狀、采摘應力的基礎上，又加以分析棉花在棉株的實際高度及相鄰棉株之間的高度差[7-9]。

3 光電信息技術在農作物病害防治中的應用

在農作物病害防治中，光電技術被廣泛應用，例如在農田中安裝攝像頭和傳感器，可以實時監測農作物的生長狀態和病害的發生情況。攝像頭可以拍攝農作物的圖像，通過圖像處理和分析技術，可以對病害進行識別和分類。傳感器可以監測農作物的環境參數，如溫度、濕度、光照等，通過與病害的關聯分析，可以預測病害的發生和傳播趨勢。這些信息可以為農民提供及時的防治建議和措施，減少病害對農作物的危害，通過數據分析和模型建立，為農民提供病蟲害防治的決策支持。通過收集和分析病蟲害的歷史數據、環境數據和農作物數據，可以建立病蟲害發生的模型和預測模型，為農民提供科學的防治方案和措施，提高防治效果和農作物的產量和品質。

此外，通過光譜技術，可以對農作物的葉片、果實等進行光譜掃描和分析，以獲取農作物的生理信息和病害特征。不同的病害會導致農作物葉片的光譜特征發生變化，通過分析這些變化，可以及時發現病害的存在和發展趨勢。同時，光譜技術還可以用于病害的診斷和鑒定，通過與已知病害的光譜特征進行對比，可以確定病害的類型和程度，為農民提供精準的防治措施。例如，利用光電信息技術，可以使用智能化的噴灑機器人。通過攝像頭和傳感器實時監測病蟲害的發生情況和農田的作物生長狀態，結合圖像識別和數據分析技術，可以調整噴灑藥劑的劑量和噴灑范圍，實現精準噴灑，提高防治效果和農產品的質量。無人機配備了高分辨率的攝像頭和傳感器，可以對大面積農田進行快速掃描，通過無人機獲取的圖像和數據，可以對農作物的生長狀態和病害的發生情況進行全面的監測和分析，為農民提供全面的病害防治信息和決策支持[10-11]。

通過應用光電技術，可以實現農作物的自動化管理和精準作業，提高農業生產的效率和質量。同時，光電技術還可以提高農機設備的自動化程度和安全性能，減少人工操作的需求，降低勞動強度和事故風險，推動農業智能化生產的可持續發展。

4 結束語

光電技術在農業智能化生產中具有重要的應用價值，對于推動農業現代化和提高農業生產效益具有重要意義。

參考文獻：

[1]簡川.光電檢測與視覺設計在農機化數字設計中的應用[J].農機化研究，2020，42（11）：219-223.

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[3]葉瑞濤，熊正燁，李永強，等.光電技術在農業工程中的應用與展望[J].農業工程，2021，11（01）：40-45.

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[5]沈楷程.基于光譜技術的溫室辣椒精準灌溉系統研發[D].咸陽：西北農林科技大學，2022.

[6]甄暢.基于光電識別的棉花打頂機控制系統的研究[D].長春：吉林農業大學，2021.

[7]張境鋒.基于視覺檢測的蘋果采摘機器人路徑規劃方法研究[D].鎮江：江蘇科技大學，2022.

[8]程磊.基于光譜和圖像融合的煙梗分選控制系統設計[D].南京：南京林業大學，2023.

[9]魏玲，郭彥婷.基于ZigBee的灌溉管道泄漏監測系統的設計[J].中國農機化學報，2014，35（03）：234-238.

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[11]郭廣東.玉米污染籽粒光電檢測技術研究及應用[D].鄭州：河南工業大學，2022.